Initiation à la construction parasismique by INFOPRO DIGITAL

Au moyen de nombreuses illustrations et photographies, cet ouvrage pédagogique présente les aspects fondamentaux de la construction parasismique en : – abordant la construction parasismique au stade de la conception et analysant les effets des choix retenus à ce stade du projet lors d’un séisme ; – présentant les incidences du site en cas de séisme (effets de site lithologique et topographique) ainsi que les phénomènes que celui-ci peut engendrer sur les sols (liquéfaction, glissement et éboulement) ; – détaillant les dispositions parasismiques à mettre en œuvre en fonction des systèmes constructifs (voiles, ossature poteaux-poutres, structure poteaux-dalles, etc.) et des matériaux (maçonnerie, béton armé, bois, acier) retenus ; – exposant les principes des différentes méthodes de calcul des charges sismiques (analyse spectrale, analyse chronologique non linéaire, analyse en poussée progressive) ; – synthétisant la réglementation parasismique applicable. Enfin, les différentes thématiques abordées sont mises en perspective au travers d’exemples réels et études de cas qui analysent les effets des séismes sur des bâtiments tant historiques que contemporains. Véritable introduction à l’ingénierie parasismique, ce livre s’adresse au non-spécialiste désireux de s’initier et comprendre le fonctionnement de la construction parasismique, sans avoir besoin d’en maîtriser les détails. Architecte DPLG et ingénieur de l’École des hautes études techniques de Brno (République tchèque), Milan Zacek est professeur des écoles d’architecture, chargé de cours à l’Institut supérieur du bâtiment et des travaux publics (ISBA-TP) et formateur en construction parasismique.

Sommaire

ISBN 978-2-281-14326-3

Milan Zacek

Contrairement aux traités et ouvrages scientifiques complexes, cet ouvrage offre, en termes simples, une vision globale de la construction parasismique des bâtiments et des solutions à adopter, y compris pour la mise à niveau des bâtiments existants.

Initiation à la construction parasismique

Milan Zacek

Initiation à la construction parasismique

Pourquoi les constructions s’effondrent-elles en cas de séisme ? Comment prévenir les dommages sismiques graves ?

1. Dommages sismiques fréquents liés à une conception d’ensemble inadéquate et leur prévention 2. Incidence du site 3. Dispositions constructives parasismiques 4. Principe des méthodes de calcul 5. Synthèse de la réglementation parasismique française

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Sommaire Préface ...............................................................................................................................

Introduction .....................................................................................................................

Chapitre 1

Dommages sismiques fréquents liés à une conception d’ensemble inadéquate et leur prévention ..................................... 11

Chapitre 2

Incidence du site ..................................................................................................... 55

Chapitre 3

Dispositions constructives parasismiques ......................................... 59

Chapitre 4

Principe des méthodes de calcul ............................................................... 133

Chapitre 5

Synthèse de la réglementation parasismique française ...... 137 Références réglementaires et normatives ......................................................... 145 Bibliographie .................................................................................................................. 147 Crédits photographiques.......................................................................................... 148 Index ................................................................................................................................... 149 Table des matières ....................................................................................................... 151

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Introduction Les séismes sont récurrents. Chaque année, ils prélèvent leur lot de victimes et détruisent des habitations et lieux de travail. La plupart des pertes humaines sont dues à l’effondrement d’ouvrages. Or, il est possible de concevoir des constructions qui ne s’effondrent pas sous l’action sismique. Cette capacité repose sur quatre démarches : • la conception d’ensemble (partis architectural et constructif) parasismique ; • les dispositions constructives parasismiques ; • le calcul aux séismes ; • la mise en œuvre dans les règles de l’art. La conception d’ensemble détermine le comportement dynamique des ouvrages lors d’un séisme : amplitudes d’oscillation plus ou moins grandes, sollicitation excessive ou modérée des éléments de structure, torsion ou non du bâtiment, etc. L’ingénieur calcule ensuite la structure pour le comportement résultant du projet, qu’il soit optimal ou pénalisant. Mais, à la différence du calcul habituel des structures, le calcul aux séismes comporte de nombreuses incertitudes et approximations, en raison desquelles il ne garantit pas à lui seul le non-effondrement lors d’un tremblement de terre fort. Il est donc plus judicieux de concevoir un ouvrage dont le comportement sous séisme est optimal plutôt que de tabler uniquement sur le dimensionnement. La conception d’ensemble est traitée dans le chapitre 1. Le rôle des dispositions constructives parasismiques est capital. Elles procurent une sécurité contre l’effondrement une fois la résistance de la structure épuisée, en permettant des déformations postélastiques de la structure. En effet, après le dépassement de la limite d’élasticité, un bâtiment parasismique doit se déformer plutôt que rompre. Les principales dispositions constructives parasismiques relatives aux différents matériaux de construction sont présentées au chapitre 3. Le calcul réglementaire ne vise pas la protection contre le séisme maximal plausible dans la zone concernée, car la probabilité qu’il se produise à court ou moyen terme est très faible. La plupart des bâtiments sont calculés pour résister à un tremblement de terre dont la période de retour statistique est de 475 ans. Si la force du séisme dépasse le niveau retenu pour le calcul, la probabilité d’effondrement d’un bâtiment dont le comportement dynamique est défavorable augmente très rapidement. Par contre, une conception d’ensemble adéquate procure une réserve de résistance grâce à un comportement dynamique favorable. Le principe de calcul des charges sismiques est exposé au chapitre 4. 9

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Initiation à la construction parasismique

La majorité des constructions existantes n’a pas été conçue selon des règles parasismiques et les charges sismiques n’ont pas été prises en compte dans leur dimensionnement. Cependant, à moins qu’elles soient largement sous-dimensionnées, les séismes n’entraînent pas nécessairement leur effondrement. En effet, les tremblements de terre n’imposent pas aux constructions des charges externes comme le vent, mais des déformations. Les constructions capables de subir des déformations importantes (au prix de dommages) peuvent donc éviter l’effondrement même si elles n’ont pas été dimensionnées pour les charges sismiques. Il est intéressant de noter que les séismes ne sollicitent pas toutes les constructions avec la même force. Les bâtiments peu sollicités peuvent donc « survivre » même lorsqu’ils ne sont pas parasismiques (voir § 1.1). Enfin, une mauvaise qualité de mise en œuvre et des malfaçons, de même qu’un défaut d’entretien, affaiblissent la résistance des constructions, qui deviennent ainsi vulnérables aux tremblements de terre et peuvent subir des dommages sismiques graves même en cas de séismes modérés.

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Initiation à la construction parasismique

La fonction « diaphragme » n’est assurée que si les planchers et les plans de toiture sont efficacement ancrés dans les chaînages, leurs composants solidarisés et les bords des trémies renforcés (voir § 3.2.2, 3.3.3 et 3.3.4). Par ailleurs, il est recommandé que la surface totale des trémies situées dans les planchers ne dépasse pas 15 % de la surface totale du diaphragme. L’action des planchers en tant que diaphragmes est particulièrement importante dans les bâtiments aux configurations complexes (c’est-à-dire, comprenant des saillies, des retraits ou des ailes) afin de limiter les oscillations asynchrones (différentielles), et lorsque les différents éléments verticaux de contreventement possèdent une déformabilité très inégale. Sauf exception, les planchers et les charpentes des constructions non parasismiques existantes ne constituent pas des diaphragmes. Une mise à niveau parasismique exige la création de diaphragmes aussi bien au niveau des planchers qu’en toiture. 1.2.3

Éléments verticaux de contreventement

Tous les éléments verticaux ou travées qui résistent aux charges horizontales agissant dans leur plan peuvent constituer des éléments de contreventement. On les classe habituellement en trois catégories (fig. 1.4) : • les murs ; • les arcs et les portiques (à âme pleine ou en treillis) ; • les travées triangulées, appelées palées de stabilité. Celles-ci ne devraient pas être sujettes à l’effet de poteau court (voir § 1.7, fig. 1.36). En outre, afin d’optimiser leur efficacité, il est souhaitable que les éléments verticaux de contreventement soient disposés d’une manière optimale. Ainsi, il est préférable : • de disposer les éléments de contreventement de telle sorte qu’à chaque niveau et dans chaque direction, la rigidité horizontale soit répartie symétriquement par rapport au centre de gravité du niveau, afin de limiter la torsion d’ensemble de l’ouvrage (voir § 1.3) ; • d’écarter au maximum au moins deux éléments verticaux parallèles afin de disposer d’un grand bras de levier du couple résistant à la torsion (fig. 1.5). La distance la plus grande est obtenue lorsque le contreventement est placé dans les façades ; • de superposer les éléments de contreventement pour qu’ils forment des consoles verticales de section constante ou s’élargissant vers le bas (voir photo 1.7) ;

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Dommages sismiques fréquents – Chapitre 1

Fig. 1.4. Éléments verticaux de contreventement

Fig. 1.5. Distance entre éléments de contreventement 17

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• conférer aux étages en retrait une rigidité comparable à celle des niveaux inférieurs ; • recourir à l’isolation parasismique (voir § 1.3).

1.5

Niveau souple

1.5.1

Effet de niveau souple

Les immeubles dont le rez-de-chaussée ou un autre niveau possède une rigidité latérale nettement plus faible que les niveaux situés immédiatement au-dessus subissent souvent des dommages sismiques graves, pouvant aller jusqu’à l’écrasement du niveau le moins rigide (photo 1.9). Si un niveau possède une rigidité de plus de 30 % inférieure à celle de l’étage suivant, sa vulnérabilité aux séismes est en général élevée. Ces niveaux sont appelés « souples » (de l’anglais soft storey). Les déformations imposées aux bâtiments par les séismes sont concentrées sur ces niveaux. Cette situation peut être due à : • un niveau relativement déformable surmonté d’une structure plus rigide (fig. 1.19a) ; c’est le cas de nombreux bâtiments d’habitation possédant un niveau de garages en rez-de-chaussée ; • des travées plus grandes au rez-de-chaussée qu’aux niveaux supérieurs (fig. 1.19b) ; • une plus grande hauteur libre que celle des niveaux supérieurs (fig. 1.19c). Le seuil de 30 % de différence de rigidité entre deux niveaux de hauteur inégale est dans ce

Photo 1.9. Écrasement du rez-de-chaussée par effet de niveau souple (séisme de Boumerdès, Algérie, 21 mai 2003) 32

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CHAPITRE 3 Dispositions constructives parasismiques

Ce chapitre présente les principales dispositions constructives réglementaires visant à prévenir la dislocation de la construction sous l’effet des secousses sismiques et à conférer à la structure une bonne ductilité. La ductilité d’une structure est sa capacité à subir de grandes déformations postélastiques sans perte significative de résistance. Autrement dit, une fois sa résistance maximale dépassée, la structure doit se déformer plutôt que rompre.

3.1

Constructions en maçonnerie

3.1.1

Pathologie sismique des constructions en maçonnerie

Les maçonneries réalisées selon les méthodes propres aux zones non sismiques éclatent sous l’effet des séismes et se disloquent, car les joints de mortier, ainsi que les briques, agglomérés ou blocs de terre cuite résistent mal à la traction et au cisaillement. Or lors d’un séisme, dans une construction en maçonnerie, les rangs supérieurs tendent à glisser sur les rangs inférieurs, ce qui génère des contraintes de cisaillement. Les modes de ruine les plus fréquents sont la formation de fissures diagonales et éjection latérale de maçonnerie, plus particulièrement dans le cas des trumeaux étroits, ce qui amorce la ruine de la construction (fig. 3.1 et fig. 3.2).

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Initiation à la construction parasismique

3.1.2.2

Chaînages horizontaux

Des chaînages horizontaux doivent être prévus au niveau de chaque plancher, en périphérie ainsi qu’à l’intérieur de la construction dans le plan des murs de contreventement, avec un espacement vertical maximal de 4 m (fig. 3.6). Ils doivent former des mailles fermées. Lorsque ce n’est pas le cas, la fonction « chaînage » n’est pas assurée. La section transversale des barres d’armature, espacées de 20 cm au maximum, ne doit pas être inférieure à 300 mm2 (soit 4 barres d’un diamètre de 10 mm), ni représenter moins de 1 % de la section du chaînage. Cette valeur minimale de 300 mm2 est portée à 450 mm2 (soit 4 barres d’un diamètre de 12 mm) lorsque l’accélération de calcul sur site est supérieure à 2 m/s2 et pour autant qu’il s’agisse d’une construction avec un étage sur rez-de-chaussée. Le premier cadre ou la première épingle ne doit pas être placé à plus de 7,5 cm des nœuds de chaînages.

Fig. 3.6. Principe de confinement des maçonneries par des chaînages horizontaux et verticaux

3.1.2.3

Chaînages verticaux

Des chaînages verticaux doivent être placés (voir fig. 3.3) : • en bordure des panneaux de contreventement. Il s’agit d’une mesure très importante car les armatures longitudinales de ces chaînages, solidarisées avec celles des

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Dispositions constructives parasismiques – Chapitre 3

3.3

Constructions en bois

3.3.1

Murs à ossature en bois

3.3.1.1

Pathologie sismique des murs à ossature en bois

Les murs à ossature en bois réalisés dans les règles de l’art se comportent bien sous l’action sismique. En superstructure, les dommages se limitent le plus souvent à l’arrachement localisé de clous fixant les panneaux de bois ou les écharpes. Par contre, les murs de vide sanitaire, périphériques ou séparant des niveaux décalés en hauteur, sont exposés à l’effet de poteau court, qui peut entraîner des dommages significatifs (photo 3.21). Le choix d’un mur de vide sanitaire en béton est préférable. Il est à noter également qu’en cas de séisme d’une certaine importance, les parements en maçonnerie de briques ou de pierres subissent des dommages importants car, en raison de leur rigidité, ils ne vibrent pas en phase avec la structure en bois.

Photo 3.21. Rupture du mur de vide sanitaire à ossature en bois par effet de poteau court, en périphérie (à gauche) et au droit d’un niveau décalé en hauteur (à droite)

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Initiation à la construction parasismique

3.3.1.2

Dispositions constructives pour les murs à ossature bois ➜ Contreventement

La stabilité horizontale de ces structures est assurée par des diaphragmes au niveau des planchers et de la toiture, associés à des murs et des trumeaux sans ouvertures, disposés dans les deux directions principales. Les murs sont revêtus de panneaux rigides formant des « voiles travaillants » ou comportent des palées de stabilité triangulées. Ces éléments représentent la structure principale (ou primaire). Les parties de mur ayant des ouvertures constituent la structure secondaire (fig. 3.34). Lorsqu’ils ne sont pas contreventés par triangulation, les systèmes poteaux-poutres intégrés dans une structure en murs à ossature en bois sont considérés comme appartenant à la structure secondaire et ne reprennent que des charges gravitaires. Les éléments de contreventement devraient être disposés quasi symétriquement dans les murs périphériques, de préférence dans les angles. Tous les côtés de la construction doivent être contreventés sous peine de l’exposer à une torsion d’ensemble. Dans le cas des bâtiments de forme allongée, il est nécessaire de prévoir également des éléments de contreventement dans des refends intérieurs.

Fig. 3.34. Murs à ossature en bois : structure primaire et structure secondaire (source : Règles CPMI-EC8) ➜ Dispositions constructives parasismiques

Les dispositions suivantes sont requises par les règles parasismiques : • les panneaux des voiles de contreventement des murs doivent être cloués sur leurs quatre côtés, ainsi que sur les montants intermédiaires. Sur les bords, l’espacement des clous ne doit pas excéder 15 cm. Sur les montants intermédiaires, il peut être doublé ; 100

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Dispositions constructives parasismiques – Chapitre 3

Fig. 3.50. Renforcement des assemblages de l’ossature et de la charpente par des feuillards ou des équerres en acier

Photo 3.23. Création d’un diaphragme de toiture à l’aide d’un cadre rigide en béton armé

3.4

Constructions en acier

3.4.1

Pathologie sismique des structures en acier

Les ossatures en acier réalisées dans le respect des règles de l’art se comportent en général très bien en cas de tremblements de terre, même si elles n’ont pas été conçues selon les règles parasismiques. Leur effondrement sous l’effet de secousses sismiques est rare. Toutefois, lors de tremblements de terre forts, certains dommages sismiques récurrents sont observés, à savoir : • le flambement, le cloquage ou le déversement des éléments primaires comprimés, dû à un manque de rigidité transversale (photo 3.24) ; 115

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Initiation à la construction parasismique

3.5.2.2

Dispositions constructives parasismiques pour les revêtements en pierre agrafée

En l’absence de dispositions constructives dans l’Eurocode 8, un groupe de travail issu de la commission de normalisation P65A, chargée de la révision du NF DTU 55.2, a élaboré des dispositions constructives pour la conception et la mise en œuvre des revêtements en pierre mince en zone sismique, qui viennent en complément des règles propres aux zones non sismiques. Ces recommandations sont développées ci-après. ➜ Partie courante du revêtement

L’emploi d’attaches métalliques sans polochon est nécessaire. Les plaques de pierre doivent être fixées au moyen de 4 attaches placées dans les joints horizontaux (fig. 3.55), chaque paire située sur le même chant étant disposée symétriquement par rapport à l’axe vertical de la plaque. L’angle d’inclinaison des attaches avec la verticale doit être inférieur à 20° et l’écartement entre les deux attaches porteuses doit être supérieur à 0,5 Lh (où Lh est la dimension horizontale de la plaque). On doit utiliser des attaches métalliques fixées au support par des chevilles mécaniques ou chimiques, qualifiées pour l’utilisation en situation sismique. Les ergots cylindriques introduits dans les chants horizontaux des pierres doivent être : • collés dans les chants inférieurs ; • introduits dans des manchons coulissants dans les chants supérieurs. Le jeu total par ergot ne doit pas excéder 1 mm.

Fig. 3.55. Disposition des attaches d’un revêtement en pierre agrafée

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Table des matières

Chapitre 1

Sommaire .........................................................................................................................

Préface ...............................................................................................................................

Introduction .....................................................................................................................

Dommages sismiques fréquents liés à une conception d’ensemble inadéquate et leur prévention ..................................... 11

1.1 Résonance du bâtiment avec le sol ...............................................

1.1.1

Phénomène de résonance ................................................................................. 11

1.1.2

Prévention de la résonance .............................................................................. 13

1.2 Contreventement absent ou insuffisant....................................

1.2.1

Principe de contreventement ........................................................................... 14

1.2.2

Diaphragmes (éléments horizontaux de contreventement) ...... 15

1.2.3

Éléments verticaux de contreventement .................................................. 16

1.3 Torsion d’ensemble du bâtiment ......................................................

1.3.1

Phénomène de torsion.......................................................................................... 18

1.3.2

Prévention de la torsion ...................................................................................... 21

1.4 Oscillations différentielles de diverses parties du bâtiment .............................................................................................................

1.4.1

Oscillations différentielles dans le plan horizontal.......................... 25

1.4.2

Oscillations différentielles dans le plan vertical ................................ 29

1.5 Niveau souple ......................................................................................................

1.5.1

Effet de niveau souple .......................................................................................... 32

1.5.2

Prévention de l’effet de niveau souple ..................................................... 34

1.6 Toiture lourde sur ossature poteaux-poutres.....................

1.6.1

Effet de pendule inversé ..................................................................................... 37

1.6.2

Solutions pour les toitures lourdes .............................................................. 38

1.7 Poteaux courts dans la structure principale ........................

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Initiation à la construction parasismique

1.7.1

Cas des vides sanitaires ...................................................................................... 38

1.7.2

Cas des allèges rigides en maçonnerie ou en béton attenantes à des poteaux .................................................... 39

1.7.3

Cas des paliers d’escalier intermédiaires entre étages ................ 42

1.7.4

Cas des parois rigides contiguës aux poteaux et n’atteignant pas le plafond ........................................................................ 43

1.7.5

Cas des rampes portées par des poteaux............................................. 44

1.7.6

Cas des mezzanines et galeries..................................................................... 45

1.7.7

Cas des planchers décalés en hauteur ..................................................... 46

1.7.8

Cas des palées de stabilité triangulées comportant des barres inclinées bridant les poteaux.......................................................... 47

1.8 Portiques primaires dont les poteaux et les poutres ne sont pas situés dans le même plan ........................................

1.8.1

Dommages aux poteaux et poutres non coplanaires ................... 48

1.8.2

Prévention des dommages sismiques........................................................ 49

1.9 Hétérogénéité des éléments participant au contreventement........................................................................................

1.9.1

Dommages sismiques ........................................................................................... 49

1.9.2

Conception correcte................................................................................................ 49

1.10 Séparation insuffisante entre bâtiments .................................

1.10.1

Dommages sismiques dus à l’entrechoquement ............................... 50

1.10.2

Prévention de l’entrechoquement................................................................. 51

1.11 Conception incorrecte des toitures, passerelles ou escaliers reliant des bâtiments ..................................................

1.11.1

Dommages sismiques typiques...................................................................... 52

1.11.2

Conception correcte................................................................................................ 53

Chapitre 2

Incidence du site ..................................................................................................... 55

2.1 Effets de site ............................................................................................................

2.2 Effets induits par les séismes ................................................................

2.2.1

Liquéfaction des sols .............................................................................................. 57

2.2.2

Glissement de sol ou éboulement ................................................................ 58

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Table des matières

Chapitre 3

Dispositions constructives parasismiques ......................................... 59

3.1 Constructions en maçonnerie...............................................................

3.1.1

Pathologie sismique des constructions en maçonnerie................. 59

3.1.2

Dispositions constructives parasismiques pour les ouvrages en maçonnerie ............................................................... 60

3.1.3

Mise à niveau des constructions en maçonnerie existantes ..... 69

3.2 Constructions en béton armé ...............................................................

3.2.1

Fondations ..................................................................................................................... 70

3.2.2

Planchers en béton armé .................................................................................... 79

3.2.3

Structures en murs ................................................................................................... 83

3.2.4

Structures en portiques ........................................................................................ 89

3.2.5

Ossatures en poteaux et poutres contreventées par des murs en béton armé ........................................................................... 96

3.2.6

Structures mixtes en murs et portiques .................................................... 96

3.2.7

Structures « poteaux-dalles » ......................................................................... 97

3.3 Constructions en bois ....................................................................................

3.3.1

Murs à ossature en bois ...................................................................................... 99

3.3.2

Ossatures en poteaux et poutres ................................................................. 103

3.3.3

Planchers en bois...................................................................................................... 105

3.3.4

Charpentes.................................................................................................................... 109

3.3.5

Mise à niveau parasismique des ossatures et des charpentes en bois existantes ......................................................... 114

3.4 Constructions en acier ..................................................................................

115

3.4.1

Pathologie sismique des structures en acier ......................................... 115

3.4.2

Dispositions constructives parasismiques pour les structures en acier ............................................................................... 117

3.5 Éléments non structuraux.........................................................................

122

3.5.1

Réglementation parasismique relative aux éléments non structuraux ........................................................................ 122

3.5.2

Revêtements en pierre agrafée...................................................................... 125

3.5.3

Souches de cheminée ............................................................................................ 129

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Initiation à la construction parasismique

Chapitre 4

Principe des méthodes de calcul ............................................................... 133

4.1 Calcul des charges sismiques...............................................................

133

4.1.1

Méthodes d’analyse spectrale ...................................................................... 133

4.1.2

Analyse chronologique non linéaire .......................................................... 134

4.1.3

Analyse en poussée progressive ou « pushover » ........................... 135

4.2 Dimensionnement de la structure et vérification de sécurité ......................................................................... 136 Chapitre 5

Synthèse de la réglementation parasismique française ...... 137

5.1 Présentation générale .................................................................................

137

5.2 Bâtiments et travaux soumis à l’obligation d’appliquer des règles parasismiques ...................................... 140 5.2.1

Bâtiments neufs.......................................................................................................... 140

5.2.2

Bâtiments existants ................................................................................................. 141

5.3 Règles parasismiques à appliquer ................................................

142

Références réglementaires et normatives ......................................................... 145 Bibliographie .................................................................................................................. 147 Crédits photographiques.......................................................................................... 148 Index ................................................................................................................................... 149

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Sommaire

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Milan Zacek

Initiation à la construction parasismique

Milan Zacek

Initiation à la construction parasismique

Pourquoi les constructions s’effondrent-elles en cas de séisme ? Comment prévenir les dommages sismiques graves ?

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